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简化电流感应,如何使用电流检测放大器进行设计(二)

—— 第2章:超出范围电流测量,测量电流以检测超出范围的情况
作者:Scott Hill, Dennis Hudgins, Arjun Prakash, Greg Hupp, Scott Vestal, Alex Smith, Leaphar Castro, Kevin Zhang, Maka Luo, Raphael Puzio, Kurt Eckles时间:2020-01-17来源:TI(德州仪器)收藏

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本文引用地址:http://bunmong.cn/article/202001/409394.htm

第1章:电流检测,集成电阻器电流传感器如何简化PCB设计

第 2 章:超出范围电流测量,测量电流以检测超出范围的情况(√)

监测电流以识别多种超出范围的 情况

用于提供过流保护的高侧,电机电流监测

第 3 章:开关系统中的电流检测具有增强型PWM抑制功能的低漂移、精密直列式电机电流测量

第4章:集成电流检测信号链 集成电流检测信号路径

第5章:宽VIN 和隔离式电流测量 将差分输出(隔离式)连接到单端输入ADC

突破分立式电流检测的 最大共模范围


简介

在解决与为成本优化型应用设计精确电流测量电路相关的难题时,设计人员面临着很多选择。方法非常广泛, 从使用通用运算或模数转换器 (ADC)(无论 是独立工具还是嵌入到微控制器 (MCU) 中),到利用各种专门为电流检测而设计的定制组件,不仅可以提供最大的灵活性,而且能够以特定方式解决难题。

另一个难题是如何快速有效地缩小选择范围,找到 与您的特定系统要求最为匹配的潜在器件。TI 应用手册通过解决特定用例,重点介绍如何识别电路/功能问题,以及简要介绍与该功能 相关的任何难题,从而让上述难题迎刃而解。此外,TI 应用手册还了能够支持该特定功能的 潜在器件的简短列表,以及可能有益于其他电路优化的一些替代解决方案。

该电子书中所述的应用手册集没有详尽地列出所有 电流检测难题和 TI 应用手册,但它确实解决了当 今出现的许多更加常见且具有挑战性的功能电路。 如果您对此处涉及的主题有任何疑问或者有任何其他电流检测疑问,请将其提交至 TI E2E™ 社区中的论坛。

第 2 章:超出范围电流测量

测量电流以检测超出范围的情况

流经系统的电流量反映了系统的运行效率。了解系统运行情况的一个基本切入点是将从电源拉取的电流与该特 定运行条件下的预定义目标范围进行比较。如果电流超出预期水平,表示系统中存在耗电量超出预期的元件。同理,如果电流低于预期,则可能表示系统某部分的供 电情况异常或者甚至处于断电状态。

可以通过多种方法来诊断系统中的故障情况,具体取决于超出范围指示的预期用途。一种方法是监测整个系统的电流消耗,以确定电源中潜在的破坏性偏移。在这种情况下,测量精度一般并不重要,仅需简易警报指示发生超限。

通常使用熔断器来提供短路保护,防止系统流入破坏性电流。在发生超出范围情况时,熔断器会熔断,从而断开电路。此时,必须更换熔断器才能确保系统重新正常 运行。在最坏的情况下,如果难以获取熔断器,则需要 将系统交付至修理厂。

熔断器响应特定电流阈值的效率受限于时间 - 电流相 关性。图 1 显示了熔断器的示例时间-电流响应。

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图 1:典型的时间-电流熔断器曲线

在另一种过流保护方案中,系统会在检测到偏移时对其 自身进行保护,但在故障条件被清除后立即恢复正常运行。这种保护方法使用比较器将监测的工作电流水平与定义的阈值进行比较,寻找超出范围的情况。为特定应用创建必要的检测级别依赖于 特定于系统的变量,如所需超出范围阈值的可调节性、 阈值水平中可接受的裕度以及必须以多快的速度检测出偏移。

INA381是一款专用电流检测,具有集成的独立比较器,能够 执行与超出范围检测所需的预期工作阈值的基本比较。 图 2 显示了 INA381 测量电流检测电阻器上产生的差分 电压以及与用户可调节的阈值水平进行比较的情形。 超出阈值水平后,警报输出会拉低。INA381 的警报 响应能够快至在10μs后跟踪电流偏移。

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图 2:INA381过流比较器

除故障指示外,可能还需要提供有关电源实际拉取的 电流大小或特定负载的信息。对于这些要求,典型的 方法是使用电流检测放大器和独立比较器的组合,如图 3所示。

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图3: 分立式过流检测

电流检测放大器测量检测电阻器上产生的差分电压并 将输出发送至比较器输入和模数转换器 (ADC)。INA301在一个器件中结合了电流检测放大器(提供与测量的输入电流成比例的电压输出信号)和板载比较器(用于过流检测),如图 4 所示。

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图4:INA301集成过流检测

借助电流信息和超出范围指示器,系统可根据运行情况 使用多种监测和保护机制。INA301 使用的一种机制是 首先仅监测警报指示器,将其用作故障指示器。在检测到超出范围情况并且警报 脚置位后,系统立即开始主动监测模拟输出电压信号,从而允许系统相应地做出响应。系统响应通常是降低系统性能水平、完全关闭或继续监测以确 定偏移是否会成为更严重的问题。

凭借成正比的输出电压和板载过流检测功能,系统能够 仅在必要时主动监测电流信息,从而优化系统资源。 INA301 放大器在固定增益 100(增益也可以是 20 或 50)下具有 450kHz 的小信号带宽和 35μV 的最高输入失调电压。除最大增益误差规格 0.2% 之外,放大器还能快速检测超出范围情况。INA301 能够 实现精确的输入测量并快速响应过流 事件,响应时间小于 1μs,其中包括输入信号测量、与用户选择的警报阈值进行的比较以及比较器输出的置位。

备选器件建议

对于需要通过板载过电流检测来监测高于INA301 36V范围的电压轨上电流的应用,应使用INA200。

INA180 是一款常用于使用外部比较器的分立过流检测电路的电流检测放大器。

对于需要监测第二个故障阈值水平的应用,INA302 采用一 个具有专用可调节阈值水平的附加超出范围比较器。

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监测电流以识别多种超出范围的情况

在确定印刷电路板 (PCB) 设计是否正常运行时,首先 需要查看的参数之一是工作电流。通过检查工作电流,您可以立即判断电路板上是否有器件短路,是否有任何器件 损坏或(在某些情况下)软件是否按预期运行。传统方法是使用电流检测放大器和模数转换器 (ADC) 来监测电流是否发生超出范围的情况,该方法无法提供所需的警报响应时间。此外,使用ADC来监测过流警报阈值需要在ADC和主机处理器之间持续进行通信,这会不必要地增加系统负担。

为了实现识别电流超出范围情况所需的响应时间,您 需要使用模拟比较器来检测电流何时超出给定的参考阈值。不过,在很多情况下,仅设定一个警报级别不 足以确定系统状态,也无法针对超出范围的电流作出 相应的系统响应。

为了满足该要求,可以使用 图 1 中所示的电路来监测多种超出范围的电流情况。

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图1:用于检测多个过流事件的离散实现

该电路包含五个器件:一个电流检测放大器、两个比较器和两个基准。图 1 所示的离散实现需要谨慎选择比较器,以获得所需的警报响应时间。 如果响应过慢, 系统可能没有充裕的时间来采取相应的措施;如果响应过快,可能触发错误的警报,进而可能导致系统关断。 图 2 显示了一个更简单的电路,该电路可以解决离散 实现中存在的设计问题。

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图2:INA302 多用途过流比较器

INA302 能够检测两种超出范围条件。 较低的超出范围条件称为过流警告阈值,而较高的超出范围条件称 为过流故障阈值。利用过流警告阈值,可以检测电流何时开始变得过高但尚未达到可能导致系统关断的故 障阈值。

当电流超出警告阈值时, 系统可以选择通过禁用子电路、控制电源电压或降低时钟频率来降低系统功耗,以降低总系统电流并防止出现 故障。如果确实发生过流故障情况,必须迅速作出响 应,以止发生进一步的系统损坏或故障行为。

为了最大程度地减少组件数量并便于 使用,INA302 的警报阈值通过单个外部 电阻器进行设置。故障阈值应 设置为高于最坏情况下系统可能会消耗的电流值。电流 超出该阈值后,INA302 的警报引脚会在 1μs 内作出 响应。警告阈值依赖于应用,但通常高于标称工作电 流。警告阈值响应时间可通过外部电容器在 3μs 至 1 0s 的范围内 通过适当地设置警告阈值延迟时间,可以将过流警告阈 值设置为更接近最大直流工作电流,同时仍可 避免由短暂电流尖峰或噪声引起的错误跳闸。故障阈 值和警告阈值之间更大的间距 为系统提供了额外的时间,以便在超过故障阈值之前采取预 防措施。 某些系统允许在触发警报之前 在超出警告阈值的情况下运行一段时间。此类应用之一 是监测流向处理器的电源电流。可以允许处理器在超出 正常最大电流水平的情况下短暂地 运行一段时间,以最大程度地提高关键操作期间的计算 吞吐量。如果电流在超过设定的延迟时超出警告阈值, 警报输出将拉低,以通知主机处理器,以便在发生过热 情况之前电压或时钟频率会降低。

在某些系统中,检测出电流何时过低非常有用。对于这些应用,图 3 中所示的 INA303 可提供过流和欠流检 测。进行调节。 

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图3:INA303 过流和欠流检测

电流超出过流故障阈值后,ALERT1 输出将在 1μs 内作出响应。不过,如果电流降至欠流阈值以下, 则通过延迟电容器来设置 ALERT2 响应时间。正常 运行状态下可能出现短暂欠流情况。不过,如果欠流情况的持续时间长于预期,则可能是由损坏的器件或即将发生故障的系统导致的。在这种情 况下,警报输出可向系统控制器通知这一情况,并且 可以在系统发生故障之前实施故障处理程序。

欠流检测的另一个用途是确认系统状态是否正确。某些 系统会进入低功耗模式,该模式下的电流低于正常工作 范围。在这种情况下,欠流警报输出可以通知主机系统 确实已进入关断状态。

在某些设计中,只有当电流超出预期的工作范围时才需 要通知。对于这些情况,可将两路警报输出连接在一 起,从而将 INA303 配置为在窗口模式下运行,如图 4 所示。在该模式下,只要电流处于正常运行窗口内,单 路警报输出就处于高电平。

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图4: INA303 窗口模式运行

备选器件建议

INA226 可用于需要数字电流监测的应用。如果您只需要 单路数字警报输出,那么 INA300 可以采用微型 2mm x 2mm 无引线四方扁平 (QFN) 封装。 对于除模拟电流信号外仅需使用单路警报输出的应 用,INA301 可在 1μs 内作出响应,从而提供出色的电 流监测精度。

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用于提供过流保护的高侧电机电流监测

高精度大功率电机系统通常需要将转速、转矩和位置 等详细反馈发送回到电机控制电路,从而高效精确地控制电机运行。

更简单的电机控制应用(例如固定运动任务)可能不需 要相同水平的精确系统反馈,因为它们可能只需要知道 系统是否在其路径中遇到意外物体或者电机绕组是否短 路。添加简单的超出范围检测功能可以使指示超出范围事件的速度有所提升,因此实现动态控制和主动监测的更复杂的电机控制系统能够从中获益。

通过将电流检测放大器与直流电源串联,驱动电机驱动 电路的高侧 - 如图 1 所示 - 可以轻松测量流入电机 的总电流, 以检测超出范围的情况。要检测微小的泄漏,您还可以 测量低侧返回电流。高侧和低侧电流电平之间的差异表 明在电动机或电动机控制电路内存在泄漏路径。

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图1:低侧和高侧电流检测

直流电压电平随电机额定电压而异,从而导致可适应 相应电压电平的多种电流测量解决方案。对于低电压 电机(约 5V),选择用于监测此电流的电路要简单得多,因为多种放大器类型(电流检测、运算、 差分、仪表)可以执行电流测量功能并支持该共模输入 电压范围。

对于电压较高的电机(如 24V 和 48V),可用的选项 局限于专用电流检测放大器和差分放大器。随着电压要 求不断提高,测量误差开始影响有效确定超出范围情况的能力。

一种用于说明放大器在高输入电压电平下运行时的有 效性的规格是共模抑制 (CMR)。该规格直接说明了放 大器输入电路对高输入电压干扰的抑制效果。在理想情况下,放大器可以完全抑制或消除两个输入引脚的 共用电压并且仅对两者之间的差分电压进行测试它们。不过,随着共模电压的上升,放大器输入级 中的漏电流将导致额外的输入失调电压。较大的输入范 围级别将按比例产生较大的测量误差。

例如,CMR 规格为 80dB 的放大器(差分或电流监测) 会在测量结果中根据输入电压电平引入较大的失调电 压。CMR 规格 80dB 对应于针对施加到输入的每伏特电 压在测量中产生额外的 100μV 失调电压。

许多器件具有规定的工作条件(例如,共模电压 [VC M] = 12V,电压源 (VS) = 5V),这建立了默认规格 (具体而言,即 CMR 和电源抑制比 [PSRR])的基 线。例如,在 60V 共模电压下运行会导致 VCM 变化 48V (60V-12V)。在 80db CMR 下,除了器件数据表中指定的输入失调电压之外,48V 变化还会导致产生额 外的 4.8mV 失调电压。

该额外产生的失调电压不会显著影响采用校准方案的应 用。不过,对于系统校准无法解决该偏移漂移的应用, 选择具有更佳 VCM 抑制的放大器至关重要。 INA240 是一款专用的电流检测放大器,其共模输入电 压范围为 -4V 至 +80V,在该器件的整个输入和温度范 围内的最坏 CMR 规格为 120dB。 120dB 的 CMR 对应 于共模电压每变化 1V 额外产生 1μV 的输入失调电 压。温度对放大器抑制共模电压能力的影响在许多产品 的数据表中都没有详细记录,因此除了室温规格之外, 您还应对该影响进行评估。 INA240 在整个 -40°C 至 +125°C 的温度范围内可确 保 120dB CMR 规格。INA240 在整个温度范围内的典型 CMR 性能为 135dB(每变化 1V 产生的失调电压小于 0. 2μV),如图 2 所示。

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图2:共模抑制与温度间的关系

系统控制器能够根据电流检测放大器的测量结果来评估系统的运行情况。将当前信息与预定义的运行阈值进行比较可以检测出超出范围事件。高侧电流检测放大器后面的比较 器可以轻松检测并快速向系统发出警报,从而使系统能够采取纠正措施。

图 3 说明了用于在测量驱动电动机驱动电路的高电压轨 上的电流时监测和检测超出范围偏移的信号链路径。 与 测量的输入电流成正比的输出信号会被导入 ADC,并且 还被 发送到比较器以检测过电流事件。如果输入电流电平超出作为比较器基准电压的预定义阈值,则比较器警报将置位。

对过流检测电路的一项关键要求是能够检测出超出范 围情况并快速作出响应。100kHz 的信号带宽和 2V/ μs 的压摆率使 INA240 能够在几微秒的时间内精确 测量和放大输入电流信号,并将输出发送到高速比较器,以根据短路情况 发出警报。该短暂的响应时间可确保系统中流过的意外过大电流不会损坏其他关键系统组件。 

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图3: 高侧过流检测

备选器件建议

您可以将 LMP8640HV 用于测量高电压能力的应用,这些 应用需要更高的信号带宽或更小的封装。 对于需要能够承受更高电压的应用,可选择 INA149,这 是一款高性能差分放大器,能够连接高达 ±275V 的共 模电压 (电源电压为 ±15V),并保证 CMR 为 90dB(或输入 每变化 1V,产生 31.6μV 的失调电压)。 INA301 是一款具有板载比较器的精密电流检测放大器, 可检测高达 36V 的共模电压下的过流事件。

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关键词: 放大器 概述

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